睡眠呼吸暫停低通氣綜合征SAHS(Sleep Apnea Hyponex Syndrome)是一種具有潛在危險(xiǎn)的常見(jiàn)病癥；同時(shí)，還是腦血管意外、心肌梗死、高血壓病的重要危險(xiǎn)因素之一。睡眠呼吸暫停低通氣綜合征不僅影響患者的健康，重者甚至發(fā)生睡眠中猝死，危及生命。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸狀態(tài)的變化不僅可以幫助患者診治，而且可以極早預(yù)防各種并發(fā)癥的發(fā)生，提高患者的存活率?？纱┐鞅O(jiān)測(cè)技術(shù)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)睡眠呼吸暫停低通氣綜合征病人的呼吸狀態(tài)提供了一種簡(jiǎn)便方法[1-3]。
   穿戴式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即將生理信息檢測(cè)、無(wú)線通信和穿戴式技術(shù)相融合的一種監(jiān)測(cè)人體生理狀態(tài)的系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，穿戴式監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)一種低生理、心理負(fù)荷甚至無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下生理參數(shù)的獲取，且穿戴式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗小、攜帶方便等突出特點(diǎn)[4-6]。可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅需要滿足嚴(yán)格的醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，而且要考慮到穿戴性能標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，例如測(cè)量節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量和尺寸應(yīng)該保持在很小且不得阻礙使用者的運(yùn)動(dòng)與正常生活行為。此外，系統(tǒng)的整體電磁輻射、使用者的安全與隱私以及系統(tǒng)的電源功耗都要遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。
    同時(shí)，PDA和Android智能手機(jī)技術(shù)對(duì)可穿戴式遠(yuǎn)程醫(yī)療產(chǎn)生了重要的影響。由于智能手機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力及普遍連接性的增強(qiáng)，對(duì)于人體參數(shù)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。并且智能手機(jī)不但可以像傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄器一樣記錄病人信息，而且可以作為信息網(wǎng)關(guān)將采集到的信息出送出去，另外它集成的GPS追蹤系統(tǒng)可以很快確定危險(xiǎn)病人的位置。藍(lán)牙技術(shù)具有低功耗、低成本和安全性三大優(yōu)勢(shì)。
    藍(lán)牙具有相當(dāng)?shù)偷墓?，可以確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，且在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的發(fā)射功率很低，對(duì)醫(yī)療儀器與人體健康產(chǎn)生的影響微弱。另外，藍(lán)牙的通信距離與傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制很好的保護(hù)了病人的隱私。針對(duì)目前智能手機(jī)都具有藍(lán)牙功能。所以選擇藍(lán)牙傳輸呼吸信號(hào)是設(shè)計(jì)監(jiān)護(hù)儀的首選。
    目前,利用可穿戴技術(shù)設(shè)計(jì)的呼吸監(jiān)測(cè)儀比較堅(jiān)硬，病人穿戴起來(lái)比較不舒服且對(duì)正常生活行為造成約束。雖然有的設(shè)備可以直接嵌入到衣服中，但是傳感器的采集功能受到限制并且像數(shù)據(jù)處理與傳輸不可以完整地集成于這種系統(tǒng)中[9-10]。本文提出的基于藍(lán)牙的可穿戴式人體呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅融合了可穿戴技術(shù)解決了信號(hào)的低負(fù)荷提取問(wèn)題，并且解決了移動(dòng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)問(wèn)題，所以，基于藍(lán)牙可穿戴式的人體呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證了對(duì)病人的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1 呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
    基于藍(lán)牙可穿戴式人體呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由呼吸信號(hào)采集處理模塊、微處理器控制模塊、藍(lán)牙通信模塊以及電源模塊等組成。

    傳感器采集的呼吸信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行放大；然后分別通過(guò)高通和低通濾波器濾除信號(hào)以外的其他信號(hào)的干擾；最后經(jīng)過(guò)后置放大電路把呼吸信號(hào)放大到適合A/D采樣的電壓范圍。微處理器通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析處理并通過(guò)藍(lán)牙將采集到的呼吸信號(hào)發(fā)送到PDA 或Android智能手機(jī)等手持終端。
2 呼吸檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)分析
2.1前端呼吸信號(hào)采集處理模塊
　系統(tǒng)的呼吸信號(hào)采集使用的傳感器是HXB-2壓電式呼吸傳感器，其為胸帶固定式呼吸波傳感器，由于其柔軟舒適的制造材料，當(dāng)固定于人體胸部時(shí)對(duì)人體正生理狀態(tài)沒(méi)有任何影響，且抗干擾能力強(qiáng)，適合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；同時(shí)該傳感器不但可以直接與人體而且可以內(nèi)嵌入人體衣服中，方便被檢測(cè)者的佩戴且不影響正常生活行為?？梢詿o(wú)損傷檢測(cè)人的呼吸運(yùn)動(dòng)波形，其輸出量為20 mV左右的模擬電壓信號(hào)，且頻率響應(yīng)范圍為0.05~1 500 Hz。其具體呼吸狀態(tài)采集處理電路如圖2所示。

2.1.1前置放大電路
　人體呼吸信號(hào)具有生物電信號(hào)阻抗高、信號(hào)微弱、頻率低等特點(diǎn)，所以呼吸信號(hào)模擬測(cè)量電路中前置放大是整個(gè)信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)模擬采集部分的工作性能。前置放大器的選擇要考慮高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂等要素。AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號(hào)的前置放大級(jí)，經(jīng)AD620放大后的小信號(hào)失真度很小，加一級(jí)AD620組成的前置放大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，前置放大電路如圖2。本設(shè)計(jì)中，通過(guò)控制圖2中的電阻R3來(lái)控制增益大小,增益計(jì)算公式如下：


2.1.4后級(jí)放大電路
　信號(hào)雖然在前置放大電路進(jìn)行放大，但相對(duì)輸出電壓還是比較低，為了使輸出信號(hào)適用微處理器的A/D采樣電壓范圍和充分利用微處理器的12位精度的ADC， 還需要通過(guò)圖2中U5B所示的后級(jí)電路進(jìn)一步放大。
2.2 通信模塊
    目前，藍(lán)牙主機(jī)控制接口HCI(Host Controller Interface)主要是通用異步收發(fā)器(UART)和通信并行總線(USB)連接的。但是因?yàn)閁ART性能和數(shù)據(jù)吞吐率水平與USB接口相當(dāng)，且傳輸協(xié)議較簡(jiǎn)單，減少了軟件開(kāi)銷(xiāo)，所以基于藍(lán)牙的可穿戴式人體呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊的主機(jī)控制接口采用UART接口。且該系統(tǒng)通信模塊采用的藍(lán)牙通信芯片為JBM-141，JBM-141適用于各種近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，采用UART/RS232接口，串口速率可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的全透明數(shù)據(jù)傳輸。其通信模塊具體電路如圖3所示。

    根據(jù)通信模塊電路可知，JBM-141引腳4是電池低壓檢測(cè)腳。根據(jù)設(shè)置，當(dāng)電源電壓大于2.7 V時(shí)，與PIO10相連的二極管常亮；當(dāng)電源電壓小于2.7 V時(shí)，二極管閃爍，提醒用戶電源電壓較低，需要及時(shí)充電以免影響系統(tǒng)正常工作。R26、C34組成阻容復(fù)位電路，控制藍(lán)牙模塊的復(fù)位。引腳12、14是與單片機(jī)部分引腳相連，通過(guò)這兩個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在單片機(jī)與藍(lán)牙模塊之間的發(fā)送和接收。同時(shí)，這兩個(gè)引腳能與PC機(jī)串口相連，用于模塊的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置后的參數(shù)在復(fù)位或重新上電后生效。與PIO5相連的二極管是藍(lán)牙狀態(tài)指示燈；藍(lán)牙模塊處于空閑或配對(duì)狀態(tài)， LED燈以100 ms/330 ms頻率閃爍；藍(lán)牙模塊處于連接狀態(tài)，LED燈則以100 ms/2 s頻率閃爍。引腳35與外部天線相連，數(shù)據(jù)由此引腳發(fā)送給手機(jī)。
3 手機(jī)終端藍(lán)牙連接及數(shù)據(jù)接收
    無(wú)論什么設(shè)備進(jìn)行藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸時(shí)首先都需要藍(lán)牙連接，藍(lán)牙連接必須以藍(lán)牙適配器為基礎(chǔ)。Android手機(jī)終端上要使用藍(lán)牙API,必須先在Android Manifest中聲明藍(lán)牙權(quán)限。在聲明權(quán)限之后必須取得藍(lán)牙適配器,Android智能終端上的藍(lán)牙適配器類(lèi)為BlutoothAdapter，調(diào)用該類(lèi)中g(shù)etDefaultAdapter()得到藍(lán)牙適配器對(duì)象，并通過(guò)藍(lán)牙適配器的getState()方法來(lái)判斷此時(shí)的藍(lán)牙適配器是否打開(kāi)。如果藍(lán)牙適配器已經(jīng)打開(kāi)，則開(kāi)始搜索附近藍(lán)牙設(shè)備；如果藍(lán)牙適配器此時(shí)沒(méi)有打開(kāi)，則提示是否需要打開(kāi)藍(lán)牙適配器，點(diǎn)擊確認(rèn)打開(kāi)終端藍(lán)牙功能。將搜索到的藍(lán)牙設(shè)備添加到藍(lán)牙列表中，點(diǎn)擊列表中的前端藍(lán)牙設(shè)備實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙連接。終端接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的方式主要是依靠Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，Android終端依靠BluetoothSocket類(lèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。通過(guò)藍(lán)牙唯一標(biāo)識(shí)碼UUID來(lái)實(shí)例化BluetoothSocket對(duì)象，然后用Socket.connect()進(jìn)行數(shù)據(jù)流的連接。連接成功后調(diào)用該對(duì)象中的getInputStream().read()方法接收前端傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。手機(jī)終端藍(lán)牙接收呼吸數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

    前端呼吸狀態(tài)采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端，終端直接對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖顯示在Android手機(jī)終端上。
    本文針對(duì)睡眠呼吸暫停低通氣綜合征對(duì)人體健康的危害，設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙可穿戴式人體呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合穿戴式低生理、心理負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)及藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)呼吸數(shù)據(jù)短距離無(wú)線傳輸且方便與PDA 或智能手機(jī)的手持終端通信的特點(diǎn)，保證了對(duì)病人的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試可以最大限度地降低系統(tǒng)功耗，硬件體積也得到最大限度的降低，可以較好地滿足便攜性和移動(dòng)性要求。
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